がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] total...
TRANSCRIPT
![Page 1: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/1.jpg)
がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの阻害解析
大阪大学基礎工学研究科 齋藤卓
2012/8/8 生命機能数理モデル検討会 第9回
1
![Page 2: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/2.jpg)
2
![Page 3: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/3.jpg)
3
CREST研究内容
初期浸潤過程における細胞内外分子機構の解明
東大医科研との共同研究
位相幾何学(ホモロジー)的不変量を用いた腫瘍組織自動診断
阪大医学部との共同研究
生体磁場による脊髄機能分析法
金沢工大との共同研究
![Page 4: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/4.jpg)
4
初期浸潤過程における細胞内外分子機構の解明
阪大 鈴木貴研究室
東大医科研 市川一寿研究室 東大医科研 村上善則研究室
東大医科研 清木元治研究室
数理モデル, 数理解析 細胞生物学実験
示唆・予測
検証
![Page 5: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/5.jpg)
Outline
5
1. イントロダクション:がんとは?
2. がん浸潤とマトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)
3. MMP2活性化の数理モデル
4. 阻害解析
![Page 6: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/6.jpg)
がんとは?
6
![Page 7: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/7.jpg)
がん(悪性腫瘍)とは?
三大成人病の一つ(がん・心臓病・脳卒中)
日本人の死因第一位、三人に一人ががんで亡くなる
遺伝子の突然変異の蓄積によって発生する
主な死因
身体の衰弱 ←腫瘍は無制限に栄養を使い増殖
臓器の機能不全 ←正常組織との置き換え、圧迫
7
![Page 8: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/8.jpg)
がんの進展プロセス
8
血管新生
化学物質、食物、放射線、紫外線、ウィルス
遺伝子突然変異
クローン増殖
原発腫
細胞外マトリックス浸潤
血管内浸潤
転移
腫瘍形成イベント
![Page 9: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/9.jpg)
Hallmarks of Cancer(悪性がん細胞の特徴的な性質)
9
Hanahan D and Weinberg RA, “Hallmarks of cancer : the next generation” Cell, 2011 144(5):646-74.
細胞死に対する抵抗性
増殖シグナルの持続性
抗増殖シグナル回避
浸潤・転移能
無制限の複製能
血管新生誘導
![Page 10: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/10.jpg)
がん浸潤とマトリックスメタロプロテアーゼ
10
![Page 11: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/11.jpg)
上皮細胞
がん細胞
基底膜 基底膜
内皮細胞
血管
転移したがん
原発巣からの離脱
組織間移動
再増殖
転移のプロセス
転移プロセス
11
![Page 12: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/12.jpg)
がん浸潤
12
XX
XX
XX
XX
浸潤は転移の始まり
がん浸潤突起(invadopodia)
細胞外基質(ECM)
間質
![Page 13: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/13.jpg)
13
マトリックスメタロプロテアーゼ
マトリックスメタロプロテアーゼ(Matrix Metalloproteinase; MMP)は、がんの浸潤装置として働く蛋白質分解酵素である
1. 正常組織では殆ど発現せず、細胞ががん化すると発現する
2. 悪性がん細胞の浸潤先端部に発現する
3. がん細胞周囲のコラーゲンを分解しながら、がん細胞が増殖したり運動したりするスペースを作る
4. MMPを転移しないがん細胞に遺伝子導入すると、がん細胞が転移するようになる
がん浸潤におけるECM分解の中心的な役割をする酵素
Seiki, Curr Opin Cell Biol. 2002 14(5):624-32.
MMP family
![Page 14: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/14.jpg)
14
MMP阻害剤(MMPI)
Overall et al. Nature Reviews Cancer 6, 227–239
これまで多くのMMP阻害剤が開発され、臨床試験が行われたが 副作用が強いことから失敗に終わっている
![Page 15: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/15.jpg)
15
MMP阻害剤の問題点
Catalytic domain
MMP
Zn
Collagen I
HPX
Hemopexin domain
多くのMMPIはMMPの触媒ドメインに作用するが、触媒ドメインはMMP familyで保存しているためがんに関係ないMMPまで阻害してしまい、結果副作用が強くなってしまう →解決策 : 選択性の高い阻害剤の開発 触媒ドメインに作用しない阻害剤の開発
コラーゲン分解のメカニズム
MMP
Zn
Collagen I
HPX
MMPIによる阻害
MMP
Zn
Collagen I
HPX
MMP
Zn
Collagen I
HPX
M MP I
![Page 16: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/16.jpg)
16
MT1-MMPによる(分泌型酵素)MMP2活性化機構
16
• 腫瘍細胞表面で発現, MMP2を活性化 [Sato et. al. Nature. 1994] • MT1-MMP重合体と TIMP2-proMMP2複合体形成 [Strongin et. al. J Biol Chem. 1995] [Imai et. al. Cancer Res. 1996] • MT1-MMPによるproMMP2のprodomain切断 [Deryugina et. al. Exp Cell Res. 2001] • MT1-MMP多量体の生成 [Itoh et. al. EMBO J. 2001] [Lehti et. al. J Biol Chem. 2002] • MT1-MMPとTIMP2の結合 [Zucker et. al. J Biol Chem. 1998] • TIMP2とMMP2結合
[Howard et. al. J Biol Chem. 1991]
Zn
Zn
P
ro
ProMMP-2
MT1-MMP
N
C
Zn
Zn
Active MMP2
TIMP2
コラーゲンIV (基底膜)
運動先進部でMT1-MMPは ProMMP-2 を効率よく活性化する
![Page 17: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/17.jpg)
研究の目的
17
MT1-MMP/TIMP2/MMP2複合体形成過程を記述する数理モデルに対して、阻害解析を行い、最も阻害効率のよい相互作用の同定を行う
効率的な薬剤開発の支援
Zn
Zn
P
ro
ProMMP-2
MT1-MMP
N
C
Zn
Zn
Active MMP2
TIMP2
![Page 18: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/18.jpg)
MMP2活性化の数理モデル
18
![Page 19: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/19.jpg)
MMP2活性化過程の複合体形成反応
19
Zn
Zn
Zn
dimerization
TIMP2 binding
MMP2 binding
N
C
Zn
N
C
Zn
Zn
N
C
Reaction 1
Reaction 2
Reaction 3
MT1_MT1MT1 MT1
11
11
MTMT
MTMT
kd
ka
MT1_TIMP2 TIMP2 MT1
21
21
TMT
TMT
kd
ka
TIMP2_MMP2 MMP2 TIMP2
22
22
MT
MT
kd
ka
![Page 20: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/20.jpg)
MMP2活性化過程の複合体形成反応
20 Z
n
Zn
ProMMP-2
N
C
Zn
Zn
Active MMP2
Zn
Zn
Zn
dimerization
Zn
Zn
N
C
TIMP2 TIMP2 binding
Zn
Zn
N
C
Zn
Zn
Zn
Zn
N
C
MMP2 binding
N
C
Zn
N
C
Zn
Zn
N
C
Z
n
Scenario 1
Scenario 2
Zn
![Page 21: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/21.jpg)
MMP2活性化過程の複合体形成パスウェイ
MT1 T2 M2
MT1_T2
MT1_T2_M2
T2_M2 MT1_MT1
MT1_MT1_T2
MT1_MT1_T2_M2 MT1_T2_MT1_T2
MT1_T2-MT1_T2_M2
MT1_T2_M2_MT1_T2_M2
Lines indicate possible connections between parent and daughter species.
Monomer
Dimer
Trimer
Tetramer
Pentamer
Hexamer
21
![Page 22: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/22.jpg)
阻害解析
23
![Page 23: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/23.jpg)
制御解析:阻害の効率を定量化する方法
応答係数 Inhibition of enzymatic reaction
Mathematical description of stationary state
Inhibition = K↗
K
K
F
F
K
FR
ln
ln
mKKFF ,...,1EI
I
ESSE
E : Enzyme S : Substrate I : Inhibitor
,][][
][][
,][][
][][
T
T
ESK
KEIE
ESK
SES
1][
1 IK
I constantmequilibriuSE: K
constantmequilibriuIE: IK
目的関数(定常状態)
平衡定数Kの微小変化に対するFの反応の度合いを測る量
Sの反応に関わるE濃度
Sの反応に関わらないE濃度
24
![Page 24: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/24.jpg)
制御解析結果:Simple model
ESSE
.][][
][][ T
T
T ESK
SES
T
ES
SK
K
K
ESR
][ln
]ln[
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1 10 1000 100000
The
resp
on
se c
oef
fici
ent
R
Equilibrium constant K [nM]
K dependence of R
[S]_T=10000nM
[S]_T=1000nM
[S]_T=100nM
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1 10 100 1000
[ES]
(n
orm
aliz
ed
)
Total inhibitor concentration [I] _T [nM]
Inhibitor dependence of [ES]
K=10nM
K=100nM
K=1000nM
Linear
TT SE ][][
応答係数
Non-linear
nMIC 72.5950
nMIC 89.6750
nMIC 20.5350
Kが大きいほうが阻害効率が良い
25
![Page 25: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/25.jpg)
制御解析結果:multi-branched pathway
Linear
応答係数
Non-linear
Kが大きいほうが阻害効率が良い
26
321321
321321
AAAAAA
AAAAAA
,1
~1
,1
~1
,1
~
~
,1
~1
,1
~1
,1
~
~
,1
~
~
,1
~
~
2
2
2
1
2
1
2
223
2
1
23
1
2
12
2
1
112
1
2
2123
2
1
1123
1
KR
KR
K
KR
KR
KR
K
KR
K
KR
K
KR
)~
(123123
iii KRR
)~
(2323
iii KRR
)~
(1212
iii KRR
)~
(22
iii KRR
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.01 1 100 10000
R^1
23
_1
K_1 [nM]
K_2=100nM
K_2=1nM
K_2=0.01nM
TTT AAA ][,][][ 312
応答係数の独立性が成立
,~ln
]ln[,~
ln
]ln[,~
ln
]ln[ 112112321123
i
i
i
i
i
iK
AR
K
AAR
K
AAAR
![Page 26: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/26.jpg)
MMPモデル
MT1 T2 M2
MT1T2
MT1T2M2
T2M2 MT1MT1
MT1MT1T2
MT1MT1T2M2 MT1T2MT1T2
MT1T2MT1T2M2
MT1T2M2MT1T2M2
Ka(MT1-MT1) 2/uM/s assume
Kd(MT1-MT1) 0.01/s assume
Ka(MT1-T2) 2.74/uM/s Toth2000
Kd(MT1-T2) 0.0001/s Toth2000
Ka(T2-M2) 0.14/uM/s Olson1997
Kd(T2-M2) 0.0047/s Olson1997
MT1-MMP 100nM
TIMP2 50nM
MMP2 100nM
Rate constants Concentrations
27
![Page 27: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/27.jpg)
制御解析結果:MMP model
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Res
po
nse
co
effi
cien
t
K [nM]
Response coefficient of [MT1MT1T2M2]
R_MT1MT1
R_MT1T2
R_T2M2
22
22
21
21
11
11
ln
]2211ln[
ln
]2211ln[
ln
]2211ln[
MT
MT
TMT
TMT
MTMT
MTMT
K
MTMTMTR
K
MTMTMTR
K
MTMTMTR
応答係数の独立性
)(
)(
)(
222222
212121
111111
MTMTMT
TMTTMTTMT
MTMTMTMTMTMT
KRR
KRR
KRR
平衡定数の大きい反応が最も阻害の効率が良い : T2-M2結合反応
応答係数
Reaction K R
MT1MT1 5nM -0.095
MT1T2 0.548nM -0.0024
T2M2 33.5714nM -0.15
28
![Page 28: がんの浸潤・転移に関わる分子パスウェイの 阻害 …...1 10 100 1000] Total inhibitor concentration [I] _T [nM] Inhibitor dependence of [ES] K=10nM K=100nM K=1000nM](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060214/5f05a5c77e708231d41400fc/html5/thumbnails/28.jpg)
結論
複合体形成反応に対して、反応係数を導入し、制御解析を行った
分岐のあるパスウェイネットワークモデルでは、反応係数の独立性が成り立っていることを示した
MT1-MMP/TIMP2/MMP2複合体形成モデルでは、T2-M2結合反応の阻害を行うことがMMP2活性化の阻害に最も効率的であることが解析からわ
かった
29
Zn
Zn
P
ro
ProMMP-2
MT1-MMP
N
C
Zn
Zn
Active MMP2
TIMP2